發(fā)光二極管二次散熱技術(shù)簡(jiǎn)介

饒連江 南京漢德森科技股份有限公司（南京210000）
摘要:發(fā)光二極管（LED）以其優(yōu)良的節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽等性能逐漸滲透到普通照明領(lǐng)域，需求量急劇升高。LED 的發(fā)展速度相當(dāng)驚人，但其功率的80%左右轉(zhuǎn)化為熱量，所以掌握LED 散熱技術(shù)十分重要。文中主要講述LED 二次散熱的機(jī)理、工程設(shè)計(jì)方法和二次散熱新技術(shù)等。
關(guān)鍵詞:發(fā)光二極管（LED）,熱量,二次散熱,對(duì)流,輻射

0 引言
大功率高亮度發(fā)光二極管（LED）是21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的一種新型冷光源。LED 產(chǎn)業(yè)是近年來被認(rèn)為最有潛力的產(chǎn)業(yè)之一，大家都期待LED 能夠進(jìn)入普通照明市場(chǎng)，成為新照明光源。隨著哥本哈根會(huì)議和低碳經(jīng)濟(jì)議題的發(fā)起，LED 將大規(guī)模地進(jìn)入了普通照明市場(chǎng)，其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值已超過百億美元。
LED 的發(fā)光機(jī)理是靠PN 結(jié)中的電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光能，當(dāng)它在外加電場(chǎng)作用下，電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致作用將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，而
無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格震蕩將其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能。
LED 設(shè)計(jì)時(shí)，必須注重它的散熱技術(shù)。
LED的散熱技術(shù)主要包括一次散熱技術(shù)和二次散熱技術(shù)。一次散熱技術(shù)指LED 的芯片封裝散熱，熱流途徑為L(zhǎng)ED 芯片傳導(dǎo)到封裝芯片的熱沉之上。二次散熱技術(shù)指LED 照明燈具的散熱設(shè)計(jì)，熱流途徑為L(zhǎng)ED芯片的封裝熱沉到周圍的空氣。對(duì)于大多數(shù)LED 燈具設(shè)計(jì)師來說，LED 封裝廠商提供完整的LED 封裝芯片及其熱性能參數(shù)，不需要進(jìn)行一次散熱設(shè)計(jì)，他們的主要任務(wù)是進(jìn)行符合工業(yè)造型的二次散熱設(shè)計(jì)。
目前，限制LED 照明燈具發(fā)展的瓶頸主要有兩個(gè)：一個(gè)是成本。LED 光源相對(duì)于傳統(tǒng)光源來說，價(jià)格還是偏高，但是，隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步以及國(guó)內(nèi)企業(yè)的廣泛參與，LED 成本會(huì)逐步下降。另一個(gè)瓶頸是散熱。由于LED 屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件，而半導(dǎo)體器件隨著自身溫度的變化，其特性會(huì)有明顯的變化。對(duì)于LED，結(jié)溫的升高會(huì)導(dǎo)致器件各方面性能的變化與衰減[1]。LED 的理論壽命能達(dá)到十萬小時(shí)以上，實(shí)際使用中，LED 的結(jié)溫一般都比較高，統(tǒng)計(jì)表明，70%的LED器件失效是由溫度過高導(dǎo)致的，結(jié)溫每升高10℃，LED 壽命將減少一半。LED 溫度升高，對(duì)發(fā)光效率和光源顏色也會(huì)造成一定危害。例如外量子提取率下降、主波長(zhǎng)紅移、熒光粉效率降低等。

1 LED二次散熱機(jī)理
熱交換的三種基本方式為：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。通俗的說，熱傳導(dǎo)是將熱量勻化或傳導(dǎo)到指定位置；熱對(duì)流是將熱源表面的熱量與介質(zhì)(常為空氣、水等) 發(fā)生熱交換，結(jié)果使表面的溫度降低；熱輻射是將熱源的熱量通過波的形式(紫外線、可見光線、紅外線等) 發(fā)散到周圍的空間中。強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，熱傳導(dǎo)和對(duì)流為主要的熱交換途徑，經(jīng)過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳導(dǎo)到物體(散熱器) 表面，再通過對(duì)流換熱的方式將熱量發(fā)散到周圍介質(zhì)中，熱
輻射能力相對(duì)較弱，在強(qiáng)制對(duì)流中常可忽略。
LED 常采用自然對(duì)流的方式進(jìn)行散熱，原因在于如果采用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流散熱，風(fēng)扇的壽命相對(duì)于LED來說較短，一旦風(fēng)扇失效，整個(gè)LED 燈具也將失效。

自然換熱對(duì)流的熱交換途徑與強(qiáng)制對(duì)流一樣，由于對(duì)流換熱系數(shù)不高(見表1)，對(duì)流作用較弱，熱輻射能
力相對(duì)有了提高，往往不能忽略。
表1 各種冷卻技術(shù)的對(duì)流換熱系數(shù)范圍

鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較高，加工性能好，表面處理技術(shù)成熟且成本低廉，現(xiàn)階段主要通過鋁制散熱器進(jìn)行散熱。鋁制散熱器表面處理技術(shù)成熟，可通過陽極氧化來提高表面輻射率，增加輻射熱交換。由于熱交換的計(jì)算關(guān)聯(lián)式很難給出比較精確的計(jì)算結(jié)果，并且使用時(shí)很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，通常情況下我們建議使用一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。空氣對(duì)流系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式,熱設(shè)計(jì) http://m.aji87.cn

2 工程設(shè)計(jì)方法
LED 二次散熱設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題主要有：散熱器的有效散熱面積、空氣流態(tài)、表面輻射率、輻射角系數(shù)和溫度等，同時(shí)，還需要考慮制造工藝、成本、使用特性等。
二次散熱設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。LED 照明燈具作為一種商品，消費(fèi)者購(gòu)買時(shí)不僅關(guān)注其性能，更重要的是它的外觀，因此在設(shè)計(jì)初期，進(jìn)行工業(yè)造型設(shè)計(jì)是十分重要的。在進(jìn)行精心設(shè)計(jì)之前，常常需要預(yù)估散熱器的散熱性能，不能夠?qū)⒕ν度氲綗o法完成的設(shè)計(jì)任務(wù)之中。

目前常用的LED流體散熱設(shè)計(jì)軟件為ICEPAK和FloEFD。ICEPAK 是計(jì)算流體力學(xué)軟件提供商Fluent公司專門為電子產(chǎn)品工程師定制開發(fā)的專業(yè)的電子熱分析軟件，最新版軟件集成于ANSYS 公司的Workbench平臺(tái)之中。FloEFD 為NIKA 公司的旗艦產(chǎn)品，主要用于汽車、航空航天、機(jī)械、船舶、電子通訊、醫(yī)療器械、能源化工、暖通、流體控制設(shè)備、LED 半導(dǎo)體行業(yè)等，2006 年，NIKA 為FLOMERICS 公司收購(gòu)，現(xiàn)該公司已成為OSRAM 公司LED Light For You(LLFY) 項(xiàng)目散熱模擬分析與熱測(cè)試方面全球唯一合作伙伴。借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，用戶可以減少設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品的一次成功率（get-right-first-time）和可靠性，改善產(chǎn)品的性能，并縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。
圖2 和圖3 分布為ICEPAK 和FloEFD 用于LED二次散熱仿真分析的實(shí)例。大多數(shù)時(shí)候，設(shè)計(jì)者還會(huì)對(duì)散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括優(yōu)化安裝工藝和外觀造型、提高散熱性能和模具壽命等。

3 LED二次散熱新技術(shù)
LED照明燈具直接以散熱器作為外觀的主要部件(燈體)。傳統(tǒng)的散熱器材料為鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)較高，表面處理技術(shù)成熟，但它是電的優(yōu)良導(dǎo)體，在LED 逐漸進(jìn)入普通室內(nèi)照明階段，用戶對(duì)燈具的安全性能要求日益提高，不希望直接接觸到導(dǎo)電體。LED 照明廠商開始開發(fā)和利用絕緣材料來制作散熱器。
陶瓷材料是人類利用已久的絕緣材料，氧化鋁（Al2O3）陶瓷以其價(jià)格便宜、導(dǎo)熱率高、輻射率大等特點(diǎn)逐步進(jìn)入LED 散熱器市場(chǎng)，可望成為未來LED
主流的二次散熱材料。陶瓷密度約3.0~4.0 g/cm2，相對(duì)質(zhì)量大，多用于小型室內(nèi)照明燈具。圖4 為一款LED陶瓷散熱器，造型美觀，燈座亦為陶瓷材料，整體散熱性能較佳。
為適應(yīng)LED 的散熱需求，國(guó)內(nèi)外開發(fā)出一系列高熱導(dǎo)塑料，如圖5 所示。熱導(dǎo)率可達(dá)25W/mK，密度約1.3 g/cm2，表面輻射率約0.9，耐壓可達(dá)2 kV/mm以上。目前注塑技術(shù)成熟，并可根據(jù)外觀需求制成各種造型的燈具，該材料的應(yīng)用前景十分廣闊。某著名公司開發(fā)的高熱導(dǎo)塑料LED 燈具如圖5 所示。
由于材料的絕緣特性，可將LED 燈具的所有部件改換成該材料，大大提高散熱面積，增強(qiáng)散熱性能，勢(shì)必成為將來LED 燈具發(fā)展的主流方向。

參考文獻(xiàn)
[1] 張萬路, 江磊等· LED 道路照明燈具散熱系統(tǒng)分析[J] ·中國(guó)照明電器，2009，2
[2] 饒連江·基于ANSYS 的LED 燈具熱分析[J] ·照明工程學(xué)報(bào)，2010，1

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